國立臺中教育大學科學應用與推廣學系
科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文
指導教授： 許良榮 博士
水的科學魔術套件之發展與推廣
The Development of a Science Magic Package
of Water
研究生：林羿萱 撰
誌謝
畢業在即，心中有許多不捨，滿滿的感激和感動。首先我要感謝指導教授許 良榮老師，您在這兩年兩個月，犧牲假日，一步一腳印地陪著我，每當我疑惑時， 老師總明確的指引我方向，您教會我說話說重點，思緒清晰明快，您循循善誘、 誨人不倦、兢兢業業的精神，是我的榜樣。感謝黃鴻博教授、黃震東教授、葉聰 文教授對論文的指導及提供寶貴的意見，使本論文更具研究價值。感謝季如、靜 文、瑋玲我最依賴的夥伴，與妳們一起做研究的日子，辛苦而甜蜜令人難忘。感 謝研究所同學雅芳、靜文、宜瑩、翔鈞、瑞敏、光輝、文信的陪伴，那些一起吃 飯、討論功課、分享生活的時光，使我每天上課都充滿歡笑和期待。感謝我的婆 婆、大姑、媽媽、爸爸、阿嬤的支持，讓我無後顧之憂的念書，謝謝你們讓我成 為你們的驕傲。感謝我的好朋友淑禎總是掛紅蘿蔔在我前面，為我瞻前顧後的， 讓我義無反顧向前衝，認識妳後不但長智慧又幸福。感謝文娟陪著我寫論文，感 謝愛真帶食物來慰勞我，感謝我的同事們幫我代課，見面總是會關心我的論文進 度並提供過來人的意見。謝謝我的老公和小寶貝浚浚，你們是我精神上最大的支 持，經過閉關寫作的日子，讓我更珍惜與你們相處的每一分每一秒。感謝歌仔戲 的葉青葉姐和亞蘭姐拍攝天龍傳奇，陪伴我度過做研究最寂寞的日子。最後感謝 本校科學教育與推廣學系所有老師的教導，開闊我的視野與思惟。 羿萱 謹誌 102.9.15中文摘要
本研究旨在發展與推廣水的科學魔術套件，套件內含包含「神奇寶特瓶」、「反 重力試管」、「吸管幫浦」三種水之科學魔術。發展過程共分成兩階段，第一階段 進行水之科學魔術套件的發展，套件包含說明書和材料兩部分。發展以小組合作、 建立檢核表、專家檢核、學生實作等歷程，設計與修訂水的科學魔術套件。套件 發展完成後，進行第二階段的推廣活動。研究者在科博館的科學園遊會、國小校 園推廣活動、國中自然科教師研習等活動，各收集到 89、545、22 份問卷，進行 描述性分析，綜合觀察紀錄、訪談和資料的三角校正、藉以了解學生與教師對套 件的觀點。 問卷分析結果如下列：學生和老師一致同意本魔術套件有（1）具魔術般驚 奇的效果而且又好玩；（2）現象易於觀察，製作和操作過程簡易；（3）有助於了 解其相關之科學原理；教師還一致同意（4）樂於使用於教學上或表演此套件。 在訪談紀錄中，受訪老師提供實施本套件適合教學方式的建議，包含教學前的準 備、教學時間的掌控、上課地點、教學策略等。最後根據研究結果提出未來研究 發展的方向，以及對未來研究方向之建議。 關鍵詞：科學魔術套件、發展與推廣、神奇寶特瓶、反重力試管、吸管幫浦Abstract
The purpose of this study was to develop a science magic package of water including three item named Magic PET Bottles, Anti-Gravity Test Tube, Drinking Straw Centrifugal Pump. The development process was divided into two stages. The first stage was about the development of science magic package including the instruction manual and materials. During the development, we designed and modified the science magic package by group cooperation, creating a checklist, a check by experts, and students’ implements. We moved on to the second stage after we had finished developing the science magic package. The second stage was about the promotion activities. The researcher collected 89 questionnaires in a science fair, 545 questionnaires from elementary school classrooms, and 22 questionnaires from the workshops of science teachers from junior high schools. In order to realize the teachers’ and the students’ viewpoints about the package, we did descriptive analyses, synthetic observation records, interviews, and data triangulation by questionnaires.
The results showed the following agreements of the students and the teachers. First, the package was surprisingly magical and fun. Second, it was easy to observe, produce, and operate. Third, it helped students and teachers realize the related scientific principles. Fourth, all the teachers were willing to adopt the package in their instructions or to show it. The interviewed teachers provided more appropriate suggestions of the package in teaching, including the pre-teaching preparation, the control of instruction time, the instruction location, and instruction strategies. Finally, according to the results, the researcher proposed suggestions of the package in future development and research directions.
Key words : Anti-Gravity Test Tube, Development And Promotion, Drinking Straw Centrifugal Pump, Magic PET Bottles, Science Magic Package.
目次
中文摘要... I ABSTRACT ... II 目次... III 表次... VI 圖次... VII 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的與問題 ... 4 第三節 名詞解釋 ... 4 一、科學魔術... 4 二、科學魔術套件... 4 三、觀點... 4 第四節 研究範圍與限制 ... 5 第二章 文獻探討 ... 7 第一節 科學魔術 ... 7 一、魔術的歷史... 7 二、魔術的定義... 8 三、魔術的效果、技巧、潛規則... 10 四、科學魔術... 11 五、科學魔術與科學教學... 14 第二節 神奇寶特瓶的原理相關文獻 ... 16 一、國外文獻... 16 二、國內文獻... 17 三、表面張力的成因與相關探討... 19 第三節 反重力試管的相關文獻 ... 21 一、書籍:《體驗如魔術般的科學實驗！科學魔術 KIDS》 ... 21 二、書籍:《玩出創意 120 個創新科學遊戲》 ... 22 三、書籍:《動手玩科學》 ... 22 四、書籍:《隨手可做有趣的科學實驗Ⅰ》 ... 22第四節 吸管幫浦的原理相關文獻 ... 24 一、幫浦的定義及類型... 24 二、離心式幫浦... 25 三、常見利用離心力原理的科學玩具... 25 第三章 研究方法與設計 ... 28 第一節 研究歷程 ... 28 一、科學魔術的素材來源：... 29 二、說明書內容的確定和編寫... 29 三、專家審查和說明書的修訂... 29 四、推廣活動... 30 五、蒐集資料... 30 第二節 研究方法 ... 31 第三節 研究工具 ... 34 第四節 研究對象 ... 36 第五節 資料蒐集 ... 36 一、觀察紀錄... 37 二、文獻探討、網路書籍... 37 三、訪談紀錄... 37 四、拍照... 37 五、問卷... 38 第六節 資料的整理與分析 ... 38 一、資料編碼... 38 二、資料分析... 39 第四章 研究結果與討論 ... 40 第一節 神奇寶特瓶 ... 40 一、材料的演進... 40 二、說明書的演進... 42 第二節 反重力試管 ... 46 一、材料的演進... 46 二、說明書的演進... 47 第三節 吸管幫浦 ... 51 一、材料的演進... 51 二、說明書的演進... 52 第四節 科博館推廣活動 ... 55 一、問卷填寫民眾的基本資料... 55 二、參觀民眾對展出意見的分析... 55 三、參觀民眾對於三項水之科學魔術喜好程度排序... 57
四、參與人員的感想... 60 第五節 校園推廣活動 ... 61 一、校園推廣活動—國小學生部分... 61 二、國小老師的訪談紀錄... 65 （一）受訪老師的背景介紹... 66 （二）陳老師實施本套件之教學的心得與建議... 66 三、校園推廣活動－國中教師部分... 72 第五章 結論與建議 ... 74 第一節結論... 74 第二節 建議 ... 76 一、教學活動的進行... 76 二、未來研究方向... 76 參考文獻... 79 中文部分... 79 英文文獻... 82 翻譯書... 83 附錄... 84 附錄一 科學魔術套件檢核表(園遊會) ... 84 附錄二 專家意見審核表... 86 附錄三 科學魔術套件問卷調查(科博館) ... 87 附錄四 校園推廣問卷(學生) ... 88 附錄五 校園推廣問卷(老師) ... 89 附錄六 神奇寶特瓶說明書... 90 附錄七 反重力試管說明書... 90 附錄八 吸管幫浦說明書... 90
表次
表 1 一般魔術與教學導向的科學魔術之比較... 13 表 2 「科學遊戲實驗室」網站中「不透水的網子」... 18 表 3 表面張力的成因與相關探討... 19 表 4 表面張力的現象綜合整理... 20 表 5 綜合比較四本書中有關大氣壓力的實驗... 23 表 6 三種幫浦的比較... 24 表 7 資料蒐集階段與方法... 37 表 8 資料代碼... 38 表 9 參觀民眾的資料分析... 55 表 10 參觀民眾對展出意見的分析... 56 表 11 參觀民眾對於三項水之科學魔術喜好程度排序 ... 57 表 12 國小學生對本套件的看法之分析（題目 1）... 62 表 13 國小學生對本套件的看法之分析（題目 2）... 62 表 14 國小學生對本套件的看法之分析（題目 3）... 63 表 15 國小學生對本套件的看法之分析（題目 4）... 63 表 16 國小學生對本套件的看法之分析（題目 5）... 64 表 17 國小學生對本套件的看法之分析（題目 6）... 64 表 18 國小學生對本套件的看法之分析（題目 7）... 65 表 19 國小學生對本套件的看法之分析（題目 8）... 65 表 20 國中自然科教師對本套件的問卷分析... 73 表 21 分項套件的好玩程度分析... 73圖次
圖 1 實驗 Anti-Gravity Water ... 16 圖 2 將熱熔膠塗在瓶口，再將紗網壓在玻璃瓶口。... 17 圖 3 等熱熔膠乾掉後，將瓶口外的紗網剪掉就製作完成了。... 17 圖 4 液體表面的分子和液體內部分子的受力。... 19 圖 5 剛開始在中間 U 型槽中的兩顆鋼珠。 ... 25 圖 6 旋轉後落入兩側的凹朝中的兩顆鋼珠。... 25 圖 7 有活動卡榫的木頭... 27 圖 8 互相嵌合的木頭... 27 圖 9 搖晃後緊緊相嵌的木頭... 27 圖 10 快速旋轉後可解開十字鎖... 27 圖 11 研究歷程 ... 28 圖 12 設計研究的四個階段... 31 圖 13 參觀的學生製作套件（一）... 58 圖 14 參觀的學生製作套件（二）... 58 圖 15 參觀的學生操作套件（一）... 59 圖 16 參觀的學生操作套件（二）... 59 圖 17 參觀的學生操作套件（三）... 59 圖 18 參觀的民眾操作套件（四）... 59 圖 19 國小學生製作套件... 67 圖 20 國小學生操作套件... 67 圖 21 操作本套件的地點... 69 圖 22 老師指導國小學生製作套件... 70 圖 23 國中老師製作套件... 72 圖 24 國中老師操作套件... 72第一章
緒論
第一節
研究背景與動機
根據張靜儀與劉蕙鈺（2003）指出過去科學教育深受行為主義理論的影響， 重視考試結果而不重視學習過程，老師大多採用講述式教學法，較少考慮用任何 的動機理論來引起學生的學習興趣。這樣的教學法在研究者所任教的「國中」這 個學習階段更為明顯，雖然這和長期以來的考試文化所形成的社會價值有關，但 有許多專家學者指出其弊端和原因，例如楊榮祥（1994）指出我們的學生似乎只 重視知識的記憶，雖然參與國際數理教育評鑑科學 IAEP 成績名列前茅，但觀察 能力顯然缺乏訓練，自創方法以實作方式解決問題的能力最差，除了低分群的成 績幾乎是墊底外，對科學表示有興趣的學生也不如其他國家的多，原因為考試文 化造成的影響。周麗玉（1994）也提出迷戀考試文化阻礙了學生對科學觀念的真 正學習與認知。 學生並不是天生就對科學的學習沒有興趣的，張靜儀等人（2003）指出自然 科學在國小教育中，算是一個令小朋友喜愛的科目，喜歡自然科的原因是可以作 實驗。Hodson(1993)指出我們理想的實驗室活動應該是探索式的，但實際的實驗 室活動是以食譜式的方式來強調技巧的發展和對已知理論的證明。Milne, Taylor (1998)也提出學校科學實驗室是一個真正從事探索活動的地方的假設是一個迷 失概念，大部分真正發生的是例行的動作以及技巧和專注於收集數據，而不是討 論。 當實驗只專注在實驗技巧、驗證理論、及收集數據，少了對於實驗前的預測、 實驗後的探究、解釋及討論結果，學生沒有經歷過一個真正實驗室會發生的情境， 不算有在培養全面的科學能力。許多學者也提出他們的看法和隱憂，張俊彥（2010） 指出下一輪經濟盛世競爭的趨勢是創意和創新能力，需要的不只是科學知識，更 是問問題、解決問題的科學探究能力，這剛好是台灣科學教育最弱的一環。鄒玉 鈿與張景媛（2012）指出若是要求學生跟隨教師的指示進行實驗，依循步驟執行， 所謂食譜式的科學實驗並無法引起學生學習的動機。在缺乏主動檢驗及探索機會 的實驗過程中，學生們充其量不過是個模仿者而已。 近年來，建構主義盛行，強調讓學生回歸為建構知識的主體，教師身為啟發 者、鼓勵者和協助者，為了讓學生主動探索，主要要先引起他們的興趣和好奇心， 才有近一步探索的欲望。中央研究院李遠哲院長曾說:「科學對小朋友而言，好 不好玩是第一個重點，因此科學教育一定要讓小朋友覺得好玩。然後才教小朋友 科學原理。」 楊曉林（2006）認為：遊戲是兒童的天堂。顯示可以利用遊戲來引起學生的興趣。對於遊戲的定義，學者各有不同的見解如下，引自許良榮（2004）認為遊 戲的特性是好玩的、無外在目標的、自願參加的。而皮亞傑 Piaget(1962)認為遊 戲是一種行為，該行為的目的是在獲得快樂，一種無組織性的行為。 潘慧玲（1995）指出一個幼兒活動要稱為遊戲，一定要涵蓋有下列五個概念 （一）遊戲是內在動機所引發的行為，歷程中會得到某些方面的滿足，也會 表現出一種愉悅的狀態。 （二）幼兒可以自由選擇，重視的是遊戲本身而不是結果。 （三）遊戲一定要好玩的、有趣的。 （四）重視行為而非文字的，不受外在規範的限制 （五）幼兒是主動的。 由上可知在遊戲中，兒童可以自己做主享受好玩的遊戲，也可自訂遊戲規則 來增加遊戲的興致，因此可以讓兒童全心全意且主動參與，並得到愉快的經驗。 兒童的最愛除了遊戲就是童玩了，方金祥與劉奕萱（2007）指出童玩可說是 孩童的最愛，童玩對孩童提供親自把玩的機會。（蕭次融，1999；方金祥，2007） 指出科學遊戲就是把童玩、科學玩具或科學活動與遊戲相結合，達到寓教於樂的 效果，讓孩童可從遊戲中體會到科學原理。 另有學者陳忠照（2003）表示:科學遊戲是指利用周遭環境的生活素材，進行 的科學性遊戲，同時應具備趣味性、規律性、創造性、分享性等四項特質。蕭次 融、羅芳晃、房漢彬、施建輝（1999）所寫的書「動手玩科學」就是把科學活動 與遊戲結合，寓教於樂，把趣味找回來，從遊戲中體會科學原理。郭騰元（2002） 指出科學遊戲就是利用隨手可得的材料，簡明易懂的步驟，驚奇有趣的結果，寓 科學原理於遊戲中。許良榮（2004）認為科學遊戲就是蘊含了科學原理與科學概 念的活動，能提供學生「玩科學」的機會，而此活動的條件就是參與的兒童會覺 得好玩，並且有高度的參與意願。 一個好玩驚奇的科學遊戲對不懂原理的觀賞者來說就是魔術。劉謙（2010） 表示科學實驗對小時候的他來說就像魔術一樣有趣。馬岳琳（2010）指出魔術師 心裡知道，只要是還沒普及的科學，就是可以當成魔術表演的項目，真正科學的 精神，也是魔術與科學相通的地方：都是從神祕開始。 魔術會引起觀賞者高度好奇心、注意力、並想盡辦法去破解魔術，表現極度 腦力激盪的活動。張德鑫（2012）指出人們對於魔術而言有太多的疑問，這些疑 問一直烙印在大家的腦海裡，使大家為魔術著迷。張靜儀等（2003）提過自然領 域多元創意的教學策略中有一種「創意實驗教學策略」中提到科學遊戲和魔術都 在其中。 如果可以把科學遊戲結合像魔術一樣的驚奇效果，一定可以教學活動更加精 采。近來有多位學者提起「科學魔術」就是在這樣的期待下產生的。林慶旺（1993） 指出在日常生活中，所發生的大部分不可思議的事情，都能做實驗，並用科學的 方法來證明的，利用身邊垂手可得的東西，就可以簡單地來變魔術，讓朋友思考、 驚異、懷疑，學習了科學魔術，就能獲得許多科學上的知識。
雖然許多學者高度肯定了科學遊戲和科學魔術在學習中的正面效果，但在 操作時牽扯到器材的準備，若自己準備器材不一定適合，而且一定不方便，如果 是老師要在課堂上使用，會有更多需要克服，謝永祥（2001）指出在科學探究中 常見的六項困難中，前二項為: 1.實驗用品的搜集，這項是備課時最大的困難。 2.時間上的緊迫；備課由資料搜集、找尋實驗用品、教學及實驗設計、事前 測試等都要教師一手包辦，所以要教師在小學科學教學運用科學探究技巧， 便倍加吃力。 由以上可知老師在進行像科學魔術或遊戲時，感到最困擾的就是因為時間緊 迫下，造成自行準備材料不方便，如果可以事先把整套的材料準備好，相信會減 輕老師的負擔，更願意帶學生做科學的探究。 基於以上原因，如果可以發展出整套的科學魔術套件，相信可以增進老師和 學生使用的意願。而目前市面上已有相關的科學魔術書籍，雖然材料簡單，但是 需要花時間購買，因此如果能將整組的材料準備好，會讓使用者更方便。考量一 般民眾想知道原理，卻希望科學原理不要過於艱深讓他們可以懂的，而任教科學 相關的老師希望有更深入的原理介紹，所以編寫說明書也是必要的，除了有適合 一般民眾閱讀的簡單易懂的科學原理介紹，還要有適合教學者所需的深入原理的 介紹。 本研究由行動研究的精神，組織研究小組，設計科學魔術套件，經由小組腦 力激盪、專家檢核、學生實作、饋修訂等等歷程，避免直覺式的設計，發展並推 廣包含材料與說明書的「水的科學魔術套件」，期望提供教師的教學素材或一般 大眾購買，以利於推廣學校與大眾科學教育，並在科學魔術套件發展完畢後，收 集老師和學生的想法，以完成本研究。
第二節
研究目的與問題
本研究的目的在設計科學魔術套件，經由小組腦力激盪、專家檢核、學生實 作、回饋修訂等等歷程，避免經驗直覺式的設計，發展並推廣包含材料與說明書 的「水的科學魔術套件」，提供教師的教學素材或一般大眾購買，以利於推廣學 校與大眾科學教育。根據以上目的，本研究提出以下的研究問題來探討： 一、在設計「神奇寶特瓶」、「反重力試管」、「吸管幫浦」等科學魔術套件過 程中，材料與說明書如何修訂? 二、推廣活動中，學生對水的科學魔術套件觀點為何? 三、推廣活動中，教師對水的科學魔術套件觀點為何?第三節
名詞解釋
一、科學魔術 科學魔術指的是利用人們不知道科學原理造成的現象，使人疑惑，產生像魔 術一樣的效果。科學魔術的必要特徵，本研究採取許良榮、黃佳媛、楊婷婷 （2010） 的看法：（1）現象的變化不是表演者利用特定道具或經過練習的技法而產生，而 是一種「自然現象的變化」，此種變化可以經由合理的解釋予以說明，亦即：科 學性解釋。（2）觀賞者必須對於現象的變化，產生疑惑、訝異的知覺。 二、科學魔術套件 本研究所開發的「水之科學魔術套件」包含「說明書」和「材料」兩部份。 套件材料為未組合的零件，讓學生可以看說明書，自己動手做。說明書中有套件 製作方式、魔術表演與科學原理。水之科學魔術套件包含三個和水相關的單元， 分別是「神奇寶特瓶」、「反重力試管」和「吸管幫浦」。 三、觀點 本研究所收集的學生和老師對於水之科學魔術套件的「觀點」包含：學生和 老師在製作和操作完科學魔術後，對於本套件在（1）驚訝感（2）製作與操作上 （3）趣味性（4）科學原理的學習與推廣的看法，其中老師的觀點多包含應用本 套件於教學上的意願程度。第四節
研究範圍與限制
本研究在人力、時間、經費、和實驗材料和實驗對象等種種因素的考量下， 無法做全面性的探討，因而訂定以下的研究範圍和限制。本研究有三個與「水」 相關的科學魔術，分為是神奇寶特瓶、反重力試管、吸管幫浦。本研究所設計的 說明書和材料都是根據以上三項「水」的科學魔術來設計，所以得到的結論，不 宜推論到其他項目的科學魔術。第二章
文獻探討
為了提高科學魔術在表演時的成功機率，使教師和一般大眾使用時更便利， 本研究旨在開發「水的科學魔術套件」的材料包，內含說明書和材料。說明書中 除了有製作步驟、操作方法外，還有套件的科學原理介紹。本套件中包含神奇寶 特瓶、反重力試管、吸管幫浦等三種水的科學魔術。因此本章根據以上相關內容 共分成五個小節，分別為第一節科學魔術，第二節神奇寶特瓶相關文獻，第三節 反重力試管相關文獻，第四節吸管幫浦相關文獻，分述如下。第一節
科學魔術
一、魔術的歷史 根據維基百科（2012）資料指出歷史上最早的魔術紀錄是在埃及，大約是在 西元前 2600 年，也就是距今四千多年前。1823 年發現的《威斯卡手稿》，文獻 上記載了一位名叫德狄（Dedi of Dedsnefu）的魔術師，受召為法老王進行表演。 他能將鵝的頭砍下，而斷了頭的鵝依然能走動，最後再把頭接回去恢復為原本的 鵝。魔術的起源是宗教和信仰，在古代，人們相信自然界中所有的事情，都是因 為有精靈或神靈操縱，因此巫師或祭師利用人類迷信的心理，利用人們所不知道 的原理製造神跡，讓信眾們更加確認他們的信仰。古希臘的神殿也利用了魔術的 原理。例如祭師打開神殿大門時，風箱會吹向地面，祭臺上便出現了火焰。還有 應用風管製造的會說話的神像。在埃及的壁畫中也有古老戲法的紀錄。 張夢瑞(2004)指出在中世紀魔術師被稱為雜耍者，到村莊的空地上以簡單的 戲法娛樂村民，當時的魔術師依賴靈巧的手法和說故事的技巧來表演鳥類和動物 表演的戲法，很受民眾的歡迎。 中世紀末期，歐洲魔術師開始面臨來自教堂的強烈反對和迫害，將民眾無法 破解的戲法當作巫術，認為魔術師和惡魔結盟。到了 16 世紀末，對女巫的迫害 到了大屠殺的地步。由於這些瘋狂的行徑，很多魔術師都受生命威脅，若不透露 魔術的秘密，恐怕會被處死。因此促使了第一本英文魔術書籍的誕生，1584 年 的「巫術探索」（The Discovery Of Witchcraft）。該書作者雷吉諾·史考特（Reginald Scot）的目的，是為了要拯救魔術師的性命，為了將魔術師的技巧與女巫的邪惡 力量作為區分。（維基百科，魔術，2012） 林懿偉（2007）表示 18 世紀，魔術師開始登上舞台。19 世紀，魔術復興， 魔術師次第湧現。劉峻驤(1998)提及十九世紀末是魔術表演的黃金時期，各地的 魔術表演都是場場爆滿，魔術師當時穿著正式的燕尾服，就像當時上戲院的觀眾 們一樣，這也是魔術師穿燕尾服表演的起源。西洋的魔術不再受宗教和政治上的 威脅，正式成為一種娛樂大眾的表演節目。有別於西洋魔術起源於宗教和信仰上為了控制人心而存在，中國的魔術存在 的理由就截然不同，是為了娛樂民眾而存在的。yolanda-yangl(2009)表示: 在 西洋魔術傳入之前，中國魔術就叫戲法。戲法，即民間傳統的魔術。古彩就是古 代堂彩魔術的簡稱。這種節目是過去達官顯貴遇有婚、喪、嫁、聚之事時，魔術 演員在廳堂表演的節目，表演內容按照中國民族的習俗，大都有慶賀吉祥之意。 另外，劉蔭柏（1993）表示中國的魔術，作為具體節目表演，至少在兩千多 年前就已經出現，西漢元封三年（西元前 108 年），漢武帝舉行百戲盛會，盛會 上即有中國的傳統魔術《魚龍蔓延》等節目，又有羅馬來的魔術師表演了《吐火》、 《吞刀》、《自縛自解》等西域魔術（魔術，百度百科）。明清時期，達到了前所 未有的成熟階段，因此明代出現了像《神仙戲術》、清代光緒十五年（西元 1889 年）有《鵝幻匯編》等研究專著，為研究古代幻術的極為重要資料。 台灣的魔術在民國 70 年代之前，都是靠口耳相傳或師徒私相授受來延續魔 術發展，屬於少數人的魔術，少了互相觀摩研究，鮮有新意。西元 1987 年（民 國 76 年）台灣第一個大學魔術社成立之後，便開啟了台灣魔術人才培育的管道。 2003 年，台灣魔術發展協會創辦成立，並在 2004 年舉辦第一次魔術大會（TMA 台灣魔術發展協會，2012）。 謝祖禎(2007)提到70年之後新生代的魔術師逐次茁壯成長，另外因魔術專 櫃、專賣店的設立，網站魔術道具銷售，研習會的舉行、魔術教學錄影帶、VCD、 DVD、原文書的引進、參與國外魔術大會、學生魔術社團的成立，造就為數頗 眾的業餘愛好者，而許多以前專職魔術師視之為專業秘密的技巧及資訊，在學生、 業餘者中流行開來。 2012年4月1日，台灣魔術師劉謙創下一項華人第一的紀錄，獲得魔術界最 高榮譽美國好萊塢魔術學院(The Academy of Magical Arts)頒發的年度魔術師 獎。魔術藝術學院位於好萊塢，是世界上最具權威的魔術師組織。該組織每年會 選出最佳的一位魔術師，並授予年度魔術師獎項（大紀元，2012）。而台灣魔術 新銳才 28 歲的李佳峰贏得 100 位國際魔術專家的青睞，奪下世界魔術師協會 （International Magicians Society）每三年頒發一次的梅林獎（遠見雜誌，2010）。 這些榮譽都在說明台灣魔術師受到國際專業魔術機構的肯定。 二、魔術的定義 魔術，又稱幻術、障眼法、掩眼法、戲法等，狹義的定義為一種以特殊的技 巧跟設備，營造錯覺和認知偏誤，以娛樂觀眾，使他們覺得不可思議的表演藝術。 廣義的定義為泛指各種以專業技巧或知識展示出讓人覺得歡笑、不可思議的藝術 的活動。（維基百科，魔術，2012）。 黃亞琪（2007）說表演魔術的方式有很多種，但本質就只有一個：不可思議 的現象。魔術表演精不精彩和魔術師有很大的關係，呂俊毅（2011）認為一個專 業的魔術師要有以下特質: 1.會去關注並吸收其他領域的相關知識，作為表演的素材，增加表演的豐富
性。 2.舞台的編排的起承轉合邏輯清晰且主題明顯，並配合聲光效果來營造氣氛， 整體充滿娛樂性。 3.練習走位及互動，加強以眼神、表情和言語與觀眾互動，讓觀眾有參與感， 加上心理法則的運用，來營造氣氛，延伸觀眾的想像空間。 4.站在觀眾的角度與心理層面上，去思考表演的整體性，表演者一言一行一 舉一動所傳遞的訊息，觀眾是否能體會。 劉謙（2005）指出魔術師靠的是「障眼法」，專業一點的說法稱為「錯誤引 導（Misdirection）」，來讓自己的「秘密動作」變成「隱形」。知道以下原理加上 眼神及小動作，便可將觀眾注意力轉移到別的地方。魔術師所用的「錯誤引導」 的基本原理: 基本原理一:觀眾會注意正在動的物件，或是發出聲響的物件。 基本原理二:觀眾會看魔術師正在看的地方。 基本原理三:魔術師覺得很重要的東西，觀眾也會覺得很重要。 Martinez-Conde﹐Macknik (2009)指出魔術師是操縱注意力和知覺的藝術家， 魔術師具有創造認知錯覺的能力，認知錯覺本質上不是單純發生在某個感官，而 是牽涉了注意力、記憶和因果推論等高階功能。。他們在我們察覺或者沒察覺到 的任何時刻，操縱著我們注意力的焦點和強度。例如著名的魔術師大衛考柏菲 (David Copperfield )在表演雪這個魔術時，先在台上利用拋紙片來製造像雪的效 果，引起觀眾大笑，當觀眾認為表演已經結束，在觀眾的警覺性稍微放鬆了，不 會那麼全神貫注地尋找破綻，大衛才表演真正的戲法。 這種欺騙觀眾的方式，不只欺騙了眼睛也欺騙了大腦，就是所謂的「改變視 盲」（change blindness），也就是觀眾面對某些幻覺時，注意力倘若專注在特定範 圍或作業上，就會忽略視線裡一些很明顯的改變。 大衛考柏菲（2012）為大腦騙局這本書作序中提到，如果我可以引起你的注 意力，讓你專注在特定的地方，你很有可能就不會注意到眼前發生的事。假設我 對一名狂熱的棒球球迷說：「你等會兒就會看到某個你最喜歡的球員」，並且將球 員帶到他跟前，那麼我就算真的叫助手牽一隻大象走進屋裡，甚至進入那球迷的 視線中，他也很可能不會注意到那隻大象！這人的注意力會完全專注在球員身上， 而看不到球員看到的景象！大腦一次只能注意一件事，你專注的不只是視覺，還 包括注意力和思緒。 為了營造一種神祕的氛圍，讓觀賞者一步步地進到魔術師所建構的情境中， 包含舞台設計、音樂選擇，手法呈現，反覆推敲測試，都是魔術師精心安排。要 達到這樣的境界，好的魔術師常常是傑出的演員、說故事者、舞者、藝術家。例 如美國魔術師大衛考柏菲就曾經在舞台上跳一段舞後，突然騰空起飛，引來全場 掌聲雷動。尤其是近年來很常見的「舞台魔術」，劉虔(2009)認為「舞台魔術」 是最具故事性及想像力的表演，表演形式豐富但複雜，考驗了魔術師的手法和技 巧，也衡量著魔術師的演技、審美能力，以及節目編排能力。
張德鑫（2012）也有類似的看法: 戲法和魔術間的差異就是魔術表演可能使 用相同的戲法，但是會藉由神祕的故事情節，和精挑細選的音樂來包裝，來向人 挑戰智力，並且以蠱惑的方式，將你帶進即夢幻又神奇的表演中。綜合以上觀點 「舞台魔術」即是讓魔術表演成為一場融合燈光秀、舞台劇、歌舞劇、有故事張 力的表演類型，例如:李佳峰 2010 年得梅林獎的作品「魔光碟影」。 「近景魔術」是另一種魔術的形式，是為少數觀眾表演的近距離魔術，近景 魔術的魅力就在其可以在任何地方、用任何東西進行表演（Einhorn ,2006；岳 玉慶等譯，2009）。沒有舞台，只有跟魔術師近距離接觸的親切感，魔術師的表 演手法需更靈巧，挑戰其熟練度和展現「表演者的魅力」，也就是何時該用何種 語氣說甚麼，配合表情和掌握時間的節奏，還要注意觀眾的視角。近來許多出版 的魔術書籍大多教導表演材料易取得的「近景魔術」。 三、魔術的效果、技巧、潛規則 各國各地的魔術師經過各場表演、比賽或出版品的交流下，加上魔術師個人 的巧思和創意，魔術的種類相當的繁瑣，不同的學者有不同的分類，部分列舉如 下。被譽為「現代魔術之父」的 Jean Eugene Robert-Houdin (1805-1871)，論述魔 術的基本原理和魔術家的心理學，把魔術分為五類( Wraxall , 1859) （引自許良 榮，2010），包括： 1.技巧魔術：全部只憑著手上與口齒的功夫； 2.自然魔術：科學的變化與技巧魔術結合運用； 3.精神魔術：用精巧的探測手法察知他人的隱蔽思念； 4.偽催眠術：假裝可以通靈慧眼、預卜未來、陰魂附體、法術定身等； 5.巫術：即為招魂術。 其中「自然魔術」利用科學的變化與技巧魔術相結合。
美國魔術師達里爾•費茲奇( Dariel Fitzkee )(1944)曾在他的著作《The Trick Brain》中為魔術的效果做了以下的分類： 1.製造(Production)─包括出現、製造和繁殖(分裂)。 2.消失(Vanish)─將固體遁形。 3.移位(Transposition)─將固體由這方遁形至它方出現。 4.改變(Transformation)─質與形的改變。 5.穿透(Penetration)─一個固體物毫髮無傷的穿過另一個固體物。 6.復原(Restoration)─將完全破壞的東西恢復原狀。 7.賦予生命(Antimation)─使無生命物自己會動。 8.漂浮(Antigravity)─改變其重力。 9.吸引力(Attraction)─神奇的吸附力，也是改變重力，但須有另一個有形的 物體來吸附。 10.刀槍不入(Invulnerability)─反人體自然現象。 11.反自然物現象(Physical Anomaly)─反常或畸形的人或動物。 12.跟觀眾比賽(Spectaor Failure)─請觀眾上台照著做，結果卻不一樣。
13.共同反應(Sympathetic Reaction)─操縱某一物體，而另一相同物體則有同 樣反應。 14.控制力(Control)─用意志力控制無生命物。 15.辨識力(Identification)─以視覺以外之感官辨識文字或物體。 16.讀心術(Thought Reading)─讀取對方心中所想。 17.思想傳送(Thought Transmission)─將心中所想以非口述傳達給他人。 18.預言(Prediction)─預測將要發生的事。
19.超感應力(Extra Sensory Perception)─就是俗稱的 ESP
Fitzkee(1944)指出上述的分類，是由物理的（physical）逐漸趨向心智的 （mental），前 12 項屬於物理的，後 7 項則屬於心智的。以科學魔術的訴求而言， 應以前 12 項物理的效果為主。（許良榮, 2010） 張德鑫（2012）在魔術的技巧上提及七大基本原則 第一：掌握，就是在看似空無一物的手中藏東西。 第二：丟棄，就是偷偷丟掉不需要的東西。 第三：偷取，就是丟棄的相反，偷偷取得所需要的物品。 第四：偷渡，就是偷偷把所需物品移到必須處。 第五：假裝，就是給人有某事發生了的感覺。 第六：聲東擊西，就是讓人不注意到你的秘密舉動。 第七：偷天換日，就是偷偷地交換物品。 久一哲弘、大西清二（2009）也提過類似上面的技巧，此本書中指出變魔術最重 要的，就是與觀眾之間的互動。無論哪一種魔術，重點都在於讓觀眾的視線從設 定了機關的地方，或表演者打算偷偷耍花招的地方，轉移到別處去，並讓他們相 信接下來會發生的事情。 因為魔術一旦被破解就失去神秘感和娛樂觀眾的效果，而且也會影響賴以 維生的魔術師的生計，所以有所謂魔術師的守則「薩斯敦三原則」(Thurston’s 3 rules in magic) 的出現，算是魔術的行規。 1.表演前，絕對不向觀眾說明接下來所要表演的內容 2.絕不在同時、同地、同觀眾的情形下表演相同的魔術兩次 3.絕對不向觀眾透露魔術的秘密，所謂的「透露」，不代表教學 根據以上的文獻，研究者認為魔術泛指一切有娛樂效果，經過精心的設計和 安排，加上魔術師個人的巧思和熟練的手法，配合氣氛的營造，讓人目不轉睛， 和魔術師鬥智卻又百思不得其解的的表演過程。 四、科學魔術 科學實驗是學生在學習科學時，最喜歡的活動，老師講解原理後，輔以自己 動手做實驗，直接印證常常讓學生驚呼自然的奧妙，雖然這樣也是學習科學的方 式，卻少了推理歸納和驗證的過程，讓學生減少了深入思考的機會，讓科學方法 的訓練略顯不足。如果可以讓學生先體驗實驗中驚奇的部分，再讓他們去推測相 關原理，經由老師的引導來驗證，相信必可以讓學習更深入。
魔術人人愛看，科學實驗中若是出現令人驚奇的現象，加上觀賞者不了解其 原理，那麼做實驗的過程如同在變魔術，林慶旺（1993）指出在日常生活中，所 發生的大部分不可思議的事情，都能做實驗，並用科學的方法來證明的。利用身 邊垂手可利用的東西，就可以簡單地來變魔術，看不可思議的改變的同時，學習 了魔術，也獲得許多科學上的知識。 劉錫印（2004）表示魔術與科學有着不解之緣。許多魔術表演是借助于自然 科學的規律，加上巧妙的構思和精湛的表演，製造出似乎違反常規的假象。魔術 所採用的科學廣泛，有力學、光學、和電磁學。例如魔術中常見的把人變不見或 變大或變小等就是利用光學的原理。 不是所有的魔術都可被稱作科學魔術。周鳳文(2007)指出仔細觀魔術表演， 可以發現十之八九的魔術都僅是用表演的手法加上魔術道具所產生的效果，極少 出現含有科學原理的成分在，而科學原理的成分的意思就是使用一些物理或化學 變化的魔術，此類的魔術技巧稱為科學魔術。 每個看魔術的人，明明知道魔術是一種欺騙的藝術表演，卻在觀賞過程中享 受被騙的樂趣，如果讓觀賞者知道這個不可能現象的原因，觀賞者會比被騙找不 到原因還失望，因為失去一個美好的歷程。Ken Weber (2010)認為以觀眾的角度 來看，魔術師的演出可讓他們有三種不同的感受:1.謎題（Puzzle）。2.戲法 （Trick）。3.神奇的時刻（Extraordinary moment）。大部分的魔術表演都是屬 於第一種「謎題」，觀眾雖然看到的現象很詭異或不可能會發生的，雖然想不透， 但他會認為如果知道秘密的話，他也能製造出一樣的效果。「戲法」是觀眾認為 這個魔術表演很不容易，已不管魔術師是用甚麼方法，認同魔術師的專業。而「神 奇時刻」是讓觀眾直接感受神奇的感覺，當場被嚇到目瞪口呆。 科學魔術是屬於以上哪一種呢？以方金祥、劉奕萱（2008）的科學魔術「神 奇的三個杯子」為例，表演步驟如下。 1. 將準備好的三個紙杯疊在一起。 2. 將三個紙杯拿起來給小朋友看一看，然後再將杯子倒轉過來，以示杯中 都沒有東西。 3. 將三個紙杯一字排開，有放入吸水能力超強的高分子聚合物者擺在最左 邊。 4. 將少許水倒入右邊第一個紙杯中。 5. 再將第一個紙杯中之水倒入中間的第二個紙杯中。 6. 最後將第二個紙杯中之水倒入最左邊第三個紙杯中。 7.三個紙杯位置稍微調換一下，然後請問小朋友剛剛倒入紙杯中的水會在那 一個紙杯中？ 觀眾親眼看到杯子倒置，沒有東西掉下來，因此判斷杯內沒有東西。當水倒 入第一個杯子中時，他們預期水可以從第一杯倒到第二杯，再由第二杯倒到第三 杯，最後從原本在第三杯的位置倒出水才對。當觀眾發現，三杯都倒不出水時， 會感到很驚奇，這是因為他們不知道這是怎麼發生的。這是利用聚丙烯酸鈉具有
超強吸水力的特性，所以當水倒入第三杯裝有聚丙烯酸鈉的紙杯後，水被吸收， 所以杯子倒置後流不出水，很像水不見一樣。一旦他們知道，除了不感驚訝外， 或許也覺得自己做得到。 雖然「神奇的三個杯子」這個科學魔術，因為效果十足，又牽扯科學概念在 裡頭，稱之為科學魔術並不為過，不過一旦觀眾知道原理後，自認可以製造一樣 的效果，所以造成觀眾感受比較接近「謎題」。許良榮(2010)也有類似的看法， 將可否稱之為魔術，作進一步的解釋，提出「科學魔術」包含的必要特徵是：（1） 現象的變化不是表演者利用特定道具或經過練習的技法而產生，而是一種「自然 現象的變化」，此種變化可以經由合理的解釋予以說明，亦即：科學性解釋。（2） 觀賞者必須對於現象的變化，產生疑惑、訝異的知覺。認為「魔術」的特徵是呈 現令人驚奇、訝異的現象變化，而此種感受來自於現象違反觀賞者的預期或直覺 經驗。如果觀賞者已經了解其現象產生的原因，則該表演對觀賞者來說，已不能 稱為魔術。 許良榮（2010）指出科學和魔術有不同的本質與特徵，許良榮（2012）認為 科學強調的是探究自然界的「真實」現象與變化，因此結合科學與魔術，必須去 除單純的非真實現象的操弄。所謂非真實性的操弄為何呢？首先比較一下魔術和 科學魔術的差別，魔術表演為了可以吸引觀眾的目光，專業魔術師的往往兼顧舞 台的設計、走位、觀眾互動、眼神的交流和定點、言語的引導等都是精心設計過 的，為了在台上的精采演出，常要訂製道具，穿魔術師著名的特徵燕尾服表演， 並善用心理學來營造氣氛（呂俊毅，2011）。這些都為了造成一種懸疑的結束， 表演精不精采在於完美無破綻，讓觀眾帶走疑問，不強調之中有相關的科學原理， 這些科學之外的細節都稱為非真實性的操弄。 根據許良榮（2010）表示科學魔術和一般魔術最大的不同是:「科學魔術」的 目的是企圖引起觀賞者的學習興趣，進而期望觀賞者能瞭解引起現象的科學原理 和概念為目標，而應用於教學的科學魔術必然違反「薩斯敦三原則」這些原則， 因為教學的目的在「教育」，而非延續「魔術師的表演生命」。許良榮（2012）歸 納一般魔術與教學導向的科學魔術之比較，如下表 1 所示。 表 1 一般魔術與教學導向的科學魔術之比較 項 目 一般魔術 科普導向的科學魔術 特製的道具 經常需要 簡單製作，不需訂製 表演的可複製性 通常很低，非專業者不易表演 複製性很高，利於推廣 使用偷藏、偷換 經常 不使用(必須為自然現象變化) 練習時間 經常需要長時間練習 基本實驗技能，練習時間短 器材準備 除了近距離魔術，經常需費時準備 以日常生活可取得為目標 目標 以娛樂為主 以達成科學普及目標為主 訴求的效果 驚奇、訝異 驚奇、訝異 最終結果 疑惑、懸而未決 科學原理、科學方法等之傳達
綜合以上，本文認為魔術和科學魔術的相同點都是要製造驚奇吸引別人的目 光，不同點在於科學魔術會藉由魔術的效果引導大家深究背後的科學原理，而魔 術師只在乎在表演的當下，情境的鋪陳張力如何，是否讓觀眾非常驚訝並吸引住 每個人，並將疑問留在觀眾的心中，甚至說出魔術的秘密是犯了魔術師的行規。 而且不是所有的魔術都有用到科學原理，因此所謂的科學魔術就是在既有的 科學實驗中挑選實驗結果令人訝異、違反觀眾平時的直覺和經驗的實驗，藉由像 表演魔術的技巧一樣說明和引導，帶出常見的迷思概念，並教導正確的科學概念， 即是以魔術之名行科學之實。 五、科學魔術與科學教學 諾貝爾物理學獎得獎人朝永振一郎博士說過:不可思議的事，正是科學的萌芽 點。魔術表演就是在表演不可思議的事，如果將科學實驗，裹上魔術的外衣，必 定可以吸引更多人來親近科學。劉錫印（2004）表示一些有遠見的魔術師，已經 深切地感到魔術與科學的共通共融，創作了許多有推廣價值的科學魔術，並在青 少年中主動開展了以＜科學與魔術＞為題的普及活動，受到熱烈歡迎。以科學魔 術為名的科學活動，屢見不鮮，有許多人也針對科學魔術對教學成效的各個面向 有深入的研究。 林懿偉(2009)指出每個老師都知道，教學的第一步驟首要引起學生的學習 動機，魔術的神祕效果與背後原理，是引發學生動機很好用的工具。林懿偉(2007) 表示科學魔術很容易讓學生引起注意力，符合教學策略之引起動機、寓教於樂。 魔術的懸疑效果讓不同性別、喜好科目、學習經驗的學童，都能引起好奇心。 科學魔術不只學生感興趣，在觀賞和演練科學魔術的老師一樣可以有收穫。 方金祥、劉奕萱（2008）研究指出在認識和學習製作科學魔術的幼稚園所教師， 若在科學活動中可以融入一些科學魔術以吸引住小朋友的好奇與專注力，對科學 之教學更有信心、更爲生動、活潑且有趣，使科學之教學更有成效。 魔術表演在帶給人們歡笑的同時，因其不可思議的現象，往往讓人回味無窮， 甚至在茶餘飯後成為人們討論的話題。詹銘偉（2009）表示魔術活動所具備的特 質就恰巧滿足了 Keller (1983)提出 ARCS 動機模式的四個要素，有注意、相關、 信心、滿足。相信看過魔術表演的人都相信，當你在看一個魔術表演時，你一定 會相當「注意」魔術師的一舉一動，深怕有哪一個細節遺漏掉，因為你會不由自 主的想要問為什麼？你會非常想知道這個魔術是怎麼達成的。 又由於驚奇的原因來自於自然現象的變化，若加上本實驗套件所挑選出的材 料，學生不難複製出一樣的驚奇效果，可以滿足科學魔術表演時成功後所建立的 「信心」和心理上的「滿足」，若精心挑選可以和學生生活起共鳴的表演內容， 即符合「相關」這個項目。 另一方面，科學教學特別重視培養學生思考的習慣，在詳細觀察後發現問題， 提出合理的假設，做出客觀的實驗去驗證假設。靳知勤（2007）提出科學教學應 培養學生對科學的好奇、興趣、態度，並提供讓學生舉出另類答案的機會，藉由
從事思考的歷程，培養其從事合理推理的能力。如何讓學生有興趣可以自發性地 學習並延長思考的時間，進而加深思考的深度，往往是科學教學者很關注的問題。 魔術就有這樣的迷人特性。 在科學教學中融入科學魔術有助於提供學生深入思考的機會，在學生推論的 過程中，老師可以瞭解學生的想法，進而引導破除迷思。文沛然（2009）指出為 了探討成年學習者與國小學童對科學魔術的看法，在每一個科學魔術單元進行過 程前，先提問確定先備知識，再讓被研究者思考討論並預測自然現象，在魔術表 演結束後，再讓學員提出他們的假設，因此可以發現其迷思概念。例如:國小學 童因先備知識不足，常以上面活動中的現象來解釋，或提出一個聽過卻不了解的 科學名詞。雖然成年的學員在過程中可以根據科學的方法如觀察、假設、實驗等 方法來推敲答案，或提出較多的科學名詞解釋，卻並不是真正瞭解這些科學名詞， 所以在此時若進行這些科學名詞的教學，大家都表現出非常高的學習熱忱。 林懿偉(2009)認為：「魔術即科學，科學像魔術」，其實花樣百出的魔術只有 兩個最基本的訣竅：一個是「科學效果」，另一個就是「迷思引導（misdirecti on）」。在課堂中，讓學生看到魔術效果、腦筋思考科學原理、進一步動手學習。 在觀賞科學魔術的驚奇表現，搜索可能的答案的同時， 讓人聯想生活經驗 有相似處，並提出可能的解釋，但往往不是正確答案，在演示者深入問下，才發 現許多迷失的概念在裡頭。所以在科學教學中融入科學魔術，對於教學者可以瞭 解學習者的迷思概念，進而引導正確的科學觀念；對於學習者來說，因為科學魔 術表演很生動並真實地展示自然真實的現象，會引起學習者的好奇心，自動思考， 若配合本實驗套件水之科學魔術如此貼近生活的主題，提供親自製作和把玩的機 會，對教學和學習一定很有助益。
第二節
神奇寶特瓶的原理相關文獻
研究者為了設計出適合推廣的水之科學魔術套件，從既有的和水相關的科 學遊戲中找出效果顯著且令人有驚奇感如魔術者，經過不斷試驗最後挑選出適合 的材料和成功率較高的製作過程，其中套件之一的神奇寶特瓶便是如是得來的。 以下分成「國外文獻」、「國內文獻」、和「表面張力的成因與相關探討」等層面 來探討。 一、國外文獻 Steve Spangler 是一個科學教師，曾在 2006 年被時代雜誌選為年度一百大有 影響力的人，其為人所知的是創立 stevespanglerscience 公司，專門開發、製造和 銷售科學玩具，並在其網站上收集及展示可在課堂上用到的科學實驗含步驟、原 理及其視頻。Steve Spangler 的網站上有和神奇寶特瓶相類似的實驗，原理也相 同，只是作法不太一樣。如下段內容詳述。 標題為「反重力的水」的實驗圖如圖片 1 所示直接點出其神奇效果，副標題 說一定可以讓朋友有被戲弄的效果。 圖 1 實驗 Anti-Gravity Water （圖片來源 http://www.stevespanglerscience.com/ experiment/anti-gravity-water） 實驗步驟如下: 1.準備一個有寬口的高腳玻璃杯，以一條手帕蓋住瓶口，確保將手帕的中心 向杯底推。 2.從手帕的中心澆水，直到裝滿杯子的 3/4。 3.緩慢地將垂吊在杯子外的手帕向下拉，使手帕形成拉緊狀橫跨在玻璃杯的 杯口，一隻手抓緊杯子底部的手帕。 4.另一隻手蓋住杯子口，並用另一隻手將杯子反轉，將另一隻蓋住杯口而 現在所在位置較低的手緩慢地放開，水依然留在杯子中，這可以證明手帕 就是使水反重力的關鍵。此時如雷的掌聲將會響起，很多人會問：你是如 何做到的？ 5.最後來個結束，將你剩下的手放在玻璃杯的瓶口，將玻璃杯倒正回來，拿 掉手帕，再將玻璃杯倒立，水將如預料地流出來。 這是如何做到的，水當初可以倒入玻璃杯中，是因為手帕向杯底推時在瓶口 形成一個洞，當拉緊垂吊在外的手帕時，這個操作允許水分子鍵結其他的水分子， 在玻璃杯口形成所謂的表面張力，即使在手帕中有微小的孔，因為水的分子和手 帕結合在一起，讓布中的每個開口形成薄膜，使水停留在杯子中。不能讓玻璃杯傾斜太多，不然會破壞表面張力使水流出。雖然使人驚訝，但畢竟瓶口仍有手帕 封住，觀眾都會懷疑機關一定在手帕上，使得驚奇感因而降低。
另有一段來自於傑佛遜實驗室( Jefferson Lab )所收集的 youtude 頻道中一個 播放列表題為凍傷劇院( Frostbite Theater )中一段名為「驚奇的反重力水的戲法」 ( Amazing Anti-Gravity Water Trick )的影片，因為讓人不容易找出不可思議之處， 堪稱為有魔術效果，深入探究其原理也和本研究套件中的神奇寶特瓶原理完全相 同是表面張力的緣故。 影片中有一男和一女分別將廣口玻璃瓶裝水，並在瓶口放上卡片紙用手壓住 紙，再將整個杯子和紙翻轉過來，紙和水都不會掉下來，這是因為大氣壓力的緣 故，接下來神奇的事發生了，那個女生突然把紙拿下來，瓶內裝水且瓶口朝下， 居然滴水不漏。這段影片引起許多人參與討論。後來在網路上有解密版出現，原 來這個神奇的玻璃瓶是特製的。整個製作步驟如下圖 2 和圖 3 所示，資料來源: Frostbite Theater (2013)。
雖然 Amazing Anti-Gravity Water Trick 影片中的製作過程很簡單，材料也容 易取得，但硬質紗網有顏色，如果觀眾太靠近表演者，難保不會被看出破綻，使 觀眾失去被騙的樂趣。若想要取信觀眾，瓶口沒有東西擋住，在瓶子倒掛時，向 從底部穿過牙籤等東西，又因為紗網孔洞太密，容易卡住，使表演效果打折。 本研究發展出水之科學魔術套件之神奇保特瓶，改善了以上的缺點，更有魔術效 果，不但材料易取得也容易製作。 二、國內文獻 方金祥與劉奕萱（2008）發表創意科學魔術之設計與製作內有提到「神奇的 杯子」，和本研究有類似的作法、相同的原理和表演效果。製作方法如下所示。 1.在桌面上先放一張 A4 大小廢棄的紙張。 2.在紙張上在放一片 10 ×10cm2的白色砂網。 3.用熱熔膠槍在一塑膠杯口上圖滿一圈熱熔膠。 4.迅速將塗滿熱熔膠的塑膠杯口倒置於白色砂網上，並用力壓緊塑膠杯 約 30 秒，則白色砂網與紙張會一起黏在塑膠杯口上。 圖 2 將熱熔膠塗在瓶口，再將紗 網壓在玻璃瓶口。 圖 3 等熱熔膠乾掉後，將瓶口外 的紗網剪掉就製作完成了。
5.一手抓住黏在塑膠杯口上白色砂網，另一手抓住紙張，將紙張撕掉。 6.用剪刀將露出塑膠杯口的白色砂網剪掉，則在塑膠杯口上有一片與塑膠杯 口同大小的白色砂網固定在塑膠杯口上。 在許良榮教授所架設的「科學遊戲實驗室」網站中，有一項名為「不透水的 網子」的實驗，因為操作簡單，材料易取得，被本研究主要參考材料，詳細的描 述如下表 2。 表 2 「科學遊戲實驗室」網站中「不透水的網子」 裝置 關鍵 觀念 大氣壓力、表面張力。 製作 方法 取一個杯子，將杯子放入水槽中，再以沙網（玻璃窗用）罩在杯口，杯 子大小形狀不拘，但是瓶口一定要平整，並注意沙網與杯口要緊密接和， 不會凹凸不平。 魔術 效果 將杯子連同沙網垂直拿出來(如下圖)，猜猜看瓶子裡的水會不會流出來？ 想一想：如果將杯子傾斜，會發生什麼事呢？ 圖一 圖二 圖三 原理 因大氣壓力大於杯子的內壓，所以所提供的向上推力足以支撐杯內液體 的重量。當大氣壓力向上推擠時，若空氣進入杯內，則杯內的水會被排 擠流出；紗布的網格中因水分子的表面張力效應，以致形成一層水分子 薄膜，阻擋了空氣，使其無法進入杯內，在此水膜下方因大氣壓力大於 水膜上方的水壓力所以能阻擋杯內的水，使其不流出。若將杯子傾斜， 則杯內壓力失去平衡，空氣便會從壓力較小的一端擠壓進入杯內，使水 流出來。
資料來源：許良榮（2013）。引自( http: //scigame. ntcu.edu.tw/power/ index.html ) 從上述可知，若杯子垂直時，水分子間的表面張力，阻止了空氣進入杯中， 是水流不出的關鍵。相反的，若杯子呈現傾斜，空氣就由壓力小的一端進入，使 得水流出來。所以這個實驗表演要成功，呈現像魔術一樣的驚奇效果，重點在於 是否可以讓水杯保持平衡。
三、表面張力的成因與相關探討 表 3 表面張力的成因與相關探討 成因 1.用分子力解釋: 表面張力的形成和液體分子間的內聚力有關。由於水分子具有極 性的原因，導致其分子和分子之間的吸引力非常強。位於液體內 部的任何一個分子皆會受到來自周圍分子的吸引，因此液體內部 分子受到的合力是零，如圖 4，引自維 基百科(2013)。但位於液體表面的分子 僅僅受到液面上空氣分子的吸引和液 面下圍繞其周圍之液體分子的吸引，導 致液體表面的分子受力比液體內部的 分子受力還要少很多，故合力指向液體 內部，造成表面層中的分子受到指向液 體內部的吸引力，並且有一些分子被 「拉」到液體內部。 物理效應 液體的表面試圖獲得最小的、光滑的面積，就好像它是一層彈性 的薄膜一樣。 定義 1. σ = F / 2L 可求出表面張力的大小，其代表單位長度所受的 力，﹝σ表示表面張力，單位為 N/m (牛頓/米)，F 表示力， 單位為牛頓(N)，L 表示長度，單位為米(m)﹞。 2. σ = ΔE/ΔA ﹝ΔE：液體表面自由能增加，ΔA：液體表面 積增加﹞。 特性 1.材質:表面張力隨液體的種類不同而異。 2.溫度:同一種物質的表面張力，通常只隨溫度改變，隨溫度的增 加而減少。 3.僅在表面:表面張力只出現在液體表面的一層分子，液體內部沒 有。 4.固體亦有表面張力，且比液體大，氣體分子距離太遠，故沒有 表面張力。 資料來源：整理自引自（傅宗玫、陳正平，2001；維基百科，2013；張慶堂，2012） 關於表面張力特性的敘述，郭騰元（2002）有許多水的科學遊戲與其相關， 例如:「不會溢出的水」在表演表面張力是使水的表面積變為最小的力。「自由行」 在試驗肥皂和洗碗精是界面活性劑，它可以破壞水的表面張力使之變得很小。而 「不會下沉的鐵絲網」則是藉由密度比水大的鐵絲網浮在水面，說明表面張力的 作用，在將水加溫後，隨著水分子的運動加劇，同時分子間的引力減小，讓表面 張力也隨著減小。 圖 4 液體表面的分 子和液體內部分子的 受力。
自然界有許多現象也和表面張力有關，綜合國內外的網站，將其綜合整理如 下表 4。 表 4 表面張力的現象綜合整理 表面張力的力平衡蜘蛛的重量，幫助它 在水面上行走。引自：Hu ﹐Bush (2003) 表面張力使葉上的水珠呈現圓球狀。 引自： University of Liverpool (2013) 表面張力造成的毛細現象。 引自：林春煌（2013） 水面高出杯緣少許，表面張力使水不會 溢出。引自：dotabata pea (2013) 表面張力的大小和測量是許多學生很感興趣的題目，在歷年科展得獎作品 中有浮沉子、拍照法、槓桿法、毛細管、連通管等許多有創意的測量方式。引自 （ http://science.ntsec.edu.tw/Query.aspx?fld=1000000&key=%u8868%u9762%u5f3 5%u529b&qt=02&p=1） 表面張力這個概念由國小到高中課都有相關內容，而且其現象在生活中也 很常見，所以將此概念的魔術挑選到水之科學魔術套件，是再適合不過的。國小 和國中因為沒有深究其原理，只要知道何種現象是表面張力造成的，高中物理學 有探究其力的大小，可以針對原理做深入的探討。
第三節
反重力試管的相關文獻
以大氣壓力為主題的科學實驗或科學魔術很常見，因為大氣壓力雖然很大， 但學生沒有眼見為憑常常很難理解，所以本研究的水之科學魔術套件，經過文獻 探討後發現，大氣壓力的實驗有許多要藉由水才能完成，因此跟水有相關，特列 入本實驗套件中。經過挑選改進後的實驗，命名為「反重力試管」，這個實驗主 要讓學習者知道大氣壓力的存在和性質。本小節主要針對「反重力試管」這個實 驗作相關的文獻探討，市面上有許多本書都有原理相同，卻有不同作法的實驗， 而且都強調效果如同魔術般神奇。以下把相關書籍和資料，分別說明。 一、書籍:《體驗如魔術般的科學實驗！科學魔術 KIDS》 這本書中有「破壞鋁罐」和「被瓶子吸進去的蛋」這兩個科學魔術，在探討 大氣壓力的力量。「破壞鋁罐」實驗步驟如下： 1.空罐子內倒入少許的水，加熱使罐內的水沸騰，利用水蒸氣趕走空罐子內 的空氣。 2.等水煮沸後，離火，用黏土蓋住罐口。拿烤肉用的鐵夾子夾住罐子，把它 放入水裡，罐子就會變形。 本書是以「揭開魔術的秘密」為標題，其實就是實驗原理的說明，「破壞鋁 罐」的原理說明如下所示。 當我們把空罐子放到水裡冷卻時，罐內的水蒸氣會變回水的狀態，體積會下 降至原來的千分之一以下。這時，因罐內的壓力急速變小，所以罐子會被外面的 大氣壓力壓壞。 「被瓶子吸進去的蛋」實驗步驟如下： 1.瓶子裡先放入已點燃的紙片，並將去殼的白煮蛋放在瓶口。 2.由於瓶子內的氧氣被用來幫助燃燒紙片，導致瓶內的空氣壓力下降，因此 蛋就會被拉進瓶子裡了。 本書中有一個實驗名為「杯子緊緊黏在一起不分離」也是探討大氣壓力的存 在及效果。「杯子緊緊黏在一起不分離」的實驗步驟如下： 1.準備 2 個杯子和 5～6 張重疊沾水的濕報紙（比杯口稍大）。 2.杯中倒入熱水，再把熱水倒掉，立刻用沾水的濕報紙蓋住杯口。同時也立 刻將另一個杯子裡的熱水倒掉，將它倒放在濕報紙上。等到兩個杯子冷卻 後，用手拿起其中一個杯子，這時兩個杯子就會緊密黏在一起了。 「杯子緊緊黏在一起不分離」的實驗原理如同上述實驗「破壞鋁罐」，倒掉 熱水後的杯子裡，空氣會因為熱氣而膨脹。杯子冷卻下來後，空氣的體積減少杯 子裡的壓力變小，於是 2 個杯子就能緊緊地黏在一起了。二、書籍:《玩出創意 120 個創新科學遊戲》 本書中有實驗題為「空瓶吞雞蛋」，也是有關大氣壓力的實驗。操作步驟如 下所示： 1.先將雞蛋水煮成白煮蛋，剝殼備用。 2.選取瓶口比雞蛋略小的寬口瓶，將少量溫熱水放入瓶中，充分搖動， 讓瓶子均勻受熱後，把熱水倒掉。 3.立即把白煮蛋直放在瓶口上。 4.靜置一會兒，仔細觀察，會發現白煮蛋慢慢地吸到瓶子裡，最後掉進去了 （如果瓶子浸泡在冷水裡，效果更快）。 原理：空氣會熱脹冷縮，瓶口放上白煮蛋後瓶子就變成密閉狀態，瓶子慢慢 冷卻，瓶內的空氣就會收縮減少（壓力下降），具有彈性的白煮蛋就會被瓶外的 大氣壓力擠到瓶子內了。 三、書籍:《動手玩科學》 本書中有實驗題為「縮骨神功」，也是有關大氣壓力的實驗。如下所示： 操作步驟： 1.取一壺熱水，最好是已經沸騰過的，要小心不要燙傷。 2.把熱水倒入平底燒瓶中，搖一搖約 10 秒鐘後倒出熱水。 3.剝好殼的熟雞蛋把尖端朝下放在瓶口上，如果雞蛋不能密封瓶口時， 可用手稍微壓一下雞蛋，讓瓶子不漏氣，但不要太用力，以免把蛋擠破， 過一陣子就可以看到雞蛋被吸入瓶子裡，如果澆淋一些冷水，可加快雞蛋 被吸入瓶中的速度。 4.在蛋還沒有掉入瓶內前，趁蛋卡在瓶頸時，淋一些熱水，就可以看到 蛋被往上推。反覆淋熱水和冷水，就可以看到蛋在瓶頸內上上下下。 5.如果蛋掉入瓶內怎麼取出來呢？很簡單，把瓶內倒立，讓蛋落入瓶口， 用嘴向瓶內大力吹一口氣，可讓蛋卡在瓶頸底部的頸口，再把瓶口回 正，在瓶身淋一些熱水，就可以把蛋推出瓶外了。 原理： 水蒸氣凝結成水時，體積會大為減少，例如 18 克的水蒸氣在一大氣壓力時， 體積約為 23 公升，當這些水蒸氣凝結為水時，體積就只有 18 毫升左右，前後體 積相差 1270 倍。如果水蒸氣在密閉容器中凝結，則瓶內壓力減小，以致大氣壓 力將熟雞蛋壓進瓶內。如果要讓雞蛋從瓶內出來時，則利用瓶內空氣遇熱增大壓 力，讓瓶內的壓力大於瓶外的壓力，就可以將雞蛋擠出了。利用密閉容器內氣體 的冷縮熱脹，就可以讓熟雞蛋在瓶頸內進進出出了。 四、書籍:《隨手可做有趣的科學實驗Ⅰ》 本書中有實驗題為「在廚房體會大氣壓力」，這個實驗室利用身邊隨手可得 的不銹鋼半圓形容器，模仿 1654 年著名的馬德堡半球實驗，使得在廚房中也能
體會大氣壓力。如下所示： 器材：廚房用不銹鋼半圓形容器 2 個（二個相同的容器）、厚紙板、無水酒精、 火柴、洗碗瀝水盤、抹布。 操作步驟： 1.在厚紙板上畫一個比容器更大的圓環，並用剪刀剪下，並用剪刀裁成圓環狀 （甜甜圈形）。將厚紙板的圓環浸在水中。該圓環可以成為有效防止漏氣的 密封環。 2.在不鏽鋼容器的下方墊一塊濕抹布。，將酒精倒入容器中，點上火柴，丟 進容器中。 3.立刻將密封環放在容器上，並蓋上另一個不銹鋼半圓形容器，兩個容器一 定要對準。 4.將兩個重疊的容器放入水槽中冷卻。 5.試著將兩個容器拉開。 原理：將第二個容器重疊在第一個容器上時，雖然外側有大氣壓力，但容器 內側也有空氣以相同的壓力向外擠壓容器，所以很輕易的就可以將兩容器分開。 若讓酒精在容器中燃燒到停止時，容器中完全沒有氧氣，剩下燃燒後產生的二氧 化碳和水及剩下的酒精蒸氣，大部分的二氧化碳會立刻溶於水中，酒精蒸氣冷卻 後形成液體，最後容器中幾乎不存在任何的氣體。因此在內側壓力大為減少下， 外側大氣壓力遠大於內側壓力，即使相當的力量也無法將兩個容器拉開。 綜合比較以上四本書中有關大氣壓力的實驗其異同，如表 5 所示。 表 5 綜合比較四本書中有關大氣壓力的實驗 書籍名 實驗名 實驗效果 原理 科學魔術 KIDS 體 驗 如 魔 術 般 的 科 學實驗 破壞鋁罐 鋁 罐 被 大 氣 壓 力 壓扁。 利 用 水 蒸 氣 趕 走 瓶內空氣，再快速 冷卻水蒸氣，使瓶 內壓力快速降低。 玩出創意 120 個創 新科學遊戲 空瓶吞雞蛋 白 煮 蛋 就 會 被 瓶 外 的 大 氣 壓 力 擠 到瓶子內了。 先 在 瓶 內 倒 入 熱 水，使空氣溫度和 壓力升高，瓶口放 上 白 煮 蛋 後 瓶 子 就 變 成 密 閉 狀 態，再使瓶內空氣 遇冷收縮，降低瓶 內空氣壓力。 動手玩科學 縮骨神功 蛋 在 瓶 頸 內 上 上 下下 在 瓶 外 反 覆 淋 熱 水 和 冷 水 使 瓶 內 空 氣 壓 力 升 高 和 減少。
隨 手 可 做 有 趣 的 科學實驗Ⅰ 在 廚 房 體 會 大 氣 壓力 兩 個 重 疊 的 半 圓 形金屬容器，無法 拉開。 利 用 酒 精 燃 燒 再 冷卻，降低容器內 的空氣壓力。 在科學實驗或科學魔術的書中類似的實驗還有很多，只是列舉出，幾種常見 的類型。雖然實驗的方式有些許的差異，主要原理都是去除和大氣壓力互相抵銷 的容器內的空氣，減少瓶內壓力，造成幾近真空的狀態，讓大氣壓力因為沒有被 抵銷而變得明顯，因此造成大氣壓力從外向內把鋁罐壓扁、把水煮蛋擠入瓶中或 讓兩個重疊的半圓形金屬容器無法拉開等效果顯著、令人驚奇的實驗。
第四節
吸管幫浦的原理相關文獻
本研究發展的第三個水之科學魔術套件，命名為吸管幫浦，是一個利用吸 管就可以做出像幫浦一樣把水往上抽的裝置，雖然所利用的原理離心力有許多相 關的童玩或實驗，本實驗套件所使用的材料最為簡便，製作方式簡便外，效果有 趣且特別，以下分為「幫浦的定義」、「離心式幫浦」、「離心力原理的科學玩具」 等方面來探討。 一、幫浦的定義及類型 幫浦俗稱唧筒，其譯「泵」。泵常用來增大、減小流體或氣體的壓力，而壓 力的變化可以用來作功。如單車打氣筒，當筒內的活塞上下移動時，氣筒中的空 氣會被壓進輪胎中。幫浦是利用機械回轉運動或往復運動，來輸送液體或吸取液 體的設備。依構造及對液體施壓方式的不同，可分為三種類型:如下表 6。 表 6 三種幫浦的比較 名 稱 原理 特色 減小或增加流體或氣 體壓力的方式 往 復 式 將吸水管深入液體 中，提起活塞，使大氣 壓力降低，水管周圍液 面上的大氣壓力就把 液體壓進水管裏。 往復式的抽水機速度 慢，容量小，液體可以 升舉得很高，適合抽清 潔的液體，如舊式的抽 水機。 利用活塞在泵柱中來 回運動 回 轉 式 和往復式抽水機相同 的原理，把活塞換成馬 達帶動的齒輪、扇葉或 螺旋，主要在給液體加 壓，轉軸由馬達帶動。 轉軸由馬達帶動，速度 高，多運用在黏稠的液 體，如石油。 馬達帶動的齒輪、扇 葉或螺旋。 離 心 式 內有一個葉輪，當幫浦 轉動時，葉輪間的液體 藉由旋轉的離心力，將 液體乾不乾凈，都沒有 影響。常用在農業灌 溉，因灌溉水含有泥 葉輪帶動。液體吸出再由出水口 流出。 沙，所以都採用離心式 抽水機。 資料來源：整理自維基百科（2012）。 本魔術套件中的吸管幫浦，所利用的原理為離心力，原理比較類似離心式的 幫浦。所以本研究針對離心式的幫浦的原理做深入探討。 二、離心式幫浦 沈豐次（1983）說明，離心式泵浦是利用離心力來作用的，基本構件包括 葉輪、外殼、主軸、填料箱、軸承及外架等。原理藉著旋轉的葉輪所產生之離心 力將液體自靠近軸心之進口吸入，最後再經渦形泵殼或擴散導翼將部分速度能儘 量地變為壓力能後，自泵浦出口流出，當葉輪內之液體被壓出時，葉輪內部原為 液體所充滿之空間即呈真空。所以大氣壓力將水推入離心式泵浦中，理論上最大 吸入應為 10.3 公尺水柱高度，但實際上泵浦吸水時在吸入管與葉輪內有摩擦阻 力，同時水流動即需消耗一部分能量，無法造成絕對真空，故一般離心泵浦之實 際最大揚程約僅 5 公尺水柱高度。離心式泵浦由於具有用途廣泛、轉速高、流量 大、壓力增減容易、構造成本低廉、拆裝維護容易等許多優點，占據泵浦市場的 70～80％。（沈豐次，1983；松山工農化工科，2013）。 三、常見利用離心力原理的科學玩具 （一）科學玩具—諾亞方舟 這個名為「諾亞方舟」的科學玩具，外形如圖 5 所示。如何將中間 U 型槽 中的兩顆鋼珠，同時進到兩側的凹朝中，若是將船身傾斜，雖然一顆鋼珠可以進 入外側凹槽中，但另一顆卻會停留在中間，所以船身傾斜是無法做到的。利用離 心力將東西甩出去的特性，藉由快速旋轉諾亞方舟，則當船體繞著軸心在做圓周 運動時，小鋼珠因為本身的慣性，所以傾向保持直線運動，加上船身旋轉時的撞 擊力，所以會較之前遠離轉動的軸心。相對於船身來說，就造成小鋼珠被向外拋 的感覺，因此而落入兩端的 U 型槽中，如圖 6。(科學玩具柑仔店，2008)。 圖 5 剛開始在中間 U 型槽中的兩 顆鋼珠。 圖 6 旋轉後落入兩側的凹朝中的 兩顆鋼珠。
雖然這個科學玩具，可以很清楚的讓人看到，快速旋轉時離心力的作用如將 中間的球都向外甩，不過須買現成的成品來玩，不是很經濟，所以本研究志在開 發有相同驚奇效果，成本卻低廉的水之科學魔術，同時原理也是離心力的魔術套 件。
（二）挑戰智力的科學玩具-十字魯班鎖 相傳戰國時代的名工匠魯班，利用卡榫巧妙的將木塊接合，製作出十字魯班 鎖。這鎖巧妙的地方來自於互相嵌合的木頭（如圖 8），在相對的缺口處都有活 動的木頭卡榫設計（如圖 7），一旦經過搖晃，卡榫就會伸出來，而使十字鎖鎖 住（如圖 9），若要使卡榫都向外退出來把鎖打開的話，要把十字鎖快速旋轉（如 圖 10），利用離心力就可以使卡榫向外退回木頭的洞中，讓十字鎖打開。 圖 7 有活動卡榫的木頭 圖 8 互相嵌合的木頭 圖 9 搖晃後緊緊相嵌的木頭 圖 10 快速旋轉後可解開十字鎖
